CN107785481A - 一种三端式磁性随机存储器及其读写方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种三端式磁性随机存储器及其读写方法，属于半导体存储技术领域，在应力和电场辅助的STT‑MRAM的自由层上，与辅助层接触的一面引出有第三端，在底、顶电极之间施加电场让自旋转移扭矩磁电阻随机存储器实现写入/擦除功能，在底或顶电极和第三端之间施加电场读存储状态阻值。本发明提出的三端式STT‑MRAM在读MTJ电阻状态时不经过辅助层，从而提高了MTJ存储单元的高低阻态的信号分辨能力，具有很大的应用前景。

Description

一种三端式磁性随机存储器及其读写方法
技术领域
本发明涉及半导体存储器领域，尤其涉及一种三端式磁性随机存储器及其读写方法。
背景技术
STT-MRAM存储器是基于存储单元的电阻状态改变来实现存储的，具有速度快、非易失和寿命长等优点，基本存储单元包括顶电极、存储单元和底电极。用于STT-MRAM的磁性隧道结(MTJ)存储单元包括自由层、势垒层和钉扎层。当自由层的磁化方向与钉扎层磁化方向处于平行/反平行时，MTJ的电阻态处于低/高状态，分别对应于存储状态的0和1。
为了降低整个器件的功耗和防止势垒层被击穿，STT-MRAM在擦/写工作过程中的电流不能太大。为了解决这一问题人们提出了用电场或应力等辅助方式减少STT-MRAM的工作电流。
如图1所示，在电场或应力辅助下实现STT-MRAM的翻转，需要在存储单元里额外增加一层绝缘介质作为辅助层，由于辅助层电阻比较高，现有的两端式读写方式降低了存储单元的信号分辨能力。
发明内容
本发明的目的是提供一种三端式磁性随机存储器及其读写方法，针对目前两端式读写电场或应力辅助STT-MRAM的存储单元信号分辨能力较低的问题，提出了一种提高信号分辨力高的三端式STT-MRAM存储器及其读写方法，解决了现有的两端式读写方式降低了存储单元的信号分辨能力的问题。
为了实现上述目的，本发明技术方案如下：
一种三端式磁性随机存储器，包括沉积在衬底上的底电极、辅助层、自由层、势垒层、钉扎层和顶电极，所述顶电极连接第一端，所述底电极连接第二端，所述自由层上，在与辅助层接触的一面引出有第三端。
进一步地，所述底电极上依次为辅助层、自由层、势垒层、钉扎层和顶电极，所述钉扎层与顶电极之间还依次设置有反铁磁耦合层和固定层。
或，所述底电极上依次为钉扎层、势垒层、自由层、辅助层和顶电极，所述钉扎层与底电极之间还依次设置有反铁磁耦合层和固定层。
本发明同时提出了一种三端式磁性随机存储器的读写方法，所述磁性随机存储器包括沉积在衬底上的底电极、辅助层、自由层、势垒层、钉扎层和顶电极，所述顶电极连接第一端，所述底电极连接第二端，所述磁性随机存储器自由层上，在与辅助层接触的一面引出有第三端，在写的阶段采用第一端和第二端，在读的阶段采用第三端和未直接连接辅助层一端。
进一步地，所述底电极连接辅助层，所述在读的阶段采用第三端和未直接连接辅助层一端，是指第三端与第一端。
或，所述顶电极连接辅助层，所述在读的阶段采用第三端和未直接连接辅助层一端，是指第三端与第二端。
本发明提出了一种三端式磁性随机存储器及其读写方法，由于在读MTJ电阻状态时不经过辅助层，从而提高了MTJ存储单元的高低阻态的信号分辨能力。本发明对电场或应力辅助的STT-MRAM应用有着重要意义，具有很大的应用前景。
附图说明
图1为现有两端式电场或应力辅助的STT-MRAM的结构示意图；
图2a为本发明实施例1，三端式STT-MRAM结构示意图；
图2b为本发明实施例2，三端式STT-MRAM结构示意图；
图3a为本发明实施例3，三端式STT-MRAM结构示意图；
图3b为本发明实施例4，三端式STT-MRAM结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明技术方案做进一步详细说明，以下实施例不构成对本发明的限定。
本发明的总体思路是在现有电场或应力辅助STT-MRAM的存储单元基础上，在额外增加的辅助层与MTJ的自由层接触面引出第三端，在写的阶段采用原来与MTJ上下相连的连接端，在读的阶段采用第三端与未直接连接辅助层一端。由于在读的时候不经过辅助层从而提高了存储单元的信号分辨能力。
本实施例中顶电极连接第一端，即图1中的A端；底电极连接第二端，即图1中的B端。
实施例1：
如图2a所示，底电极、辅助层、自由层、势垒层、钉扎层和顶电极依次沉积在已经制备好前端工艺的硅片(衬底)上。该自由层上，与辅助层接触的一面引出有第三端C。其中钉扎层的磁化方向固定垂直于薄膜平面，自由层的磁化方向可变。
通过在A和B端施加电场改变自由层的磁化方向，实现存储单元的写入和擦除功能。通过A和C端施加电场读取存储单元的阻值大小。
实施例2：
STT-MRAM堆的单个层的顺序可以翻转过来，如图2b所示，该自由层上，与辅助层接触的一面引出有第三端C，其性质未发生改变。通过在A和B端施加电场改变自由层的磁化方向，实现存储单元的写入和擦除功能。通过B和C端施加电场读取存储单元的阻值大小。
实施例3：
如图3a所示，与实施例1、2不同的是，钉扎层的磁化方向通过反铁磁耦合层与固定层耦合固定。底电极、辅助层、自由层、势垒层、钉扎层反铁磁耦合层、固定层和顶电极依次沉积在已经制备好前端工艺的硅片上。其中钉扎层的磁化方向固定垂直于薄膜平面，自由层的磁化方向可变。同样，在该自由层上，与辅助层接触的一面引出有第三端C。通过在A和B端施加电场改变自由层的磁化方向，实现存储单元的写入和擦除功能。通过A和C端施加电场读取存储单元的阻值大小。
实施例4：
图3b为图3a的翻转结构，钉扎层的磁化方向通过反铁磁耦合层与固定层耦合固定，该自由层上，与辅助层接触的一面引出有第三端C。通过在A和B端施加电场改变自由层的磁化方向，实现存储单元的写入和擦除功能。通过B和C端施加电场读取存储单元的阻值大小。
容易理解的是，本实施例中的自由层为钴，铁和镍，也可以是非磁性元素掺杂的合金，也可以是钴，铁和镍的合金；钉扎层为钴，铁和镍，也可以是非磁性元素掺杂的合金，也可以是钴，铁和镍的合金；固定层为钴，铁和镍，也可以是非磁性元素掺杂的合金，也可以是钴，铁和镍的合金；势垒层为合适的绝缘层，包括氧化镁，氧化铪，氧化铝等；反铁磁耦合层为合适的金属，包括镁，钽，钛，锰，金和银等；辅助层选用铁电材料和反铁电材料，铁电材料选用钛酸钡、锆钛酸铅(锆原子含量超过低于95％)或者其它替代物，反铁电材料选用锆酸铅、锆钛酸铅(锆原子含量超过不低于95％)、掺杂的锆钛酸铅和铪酸铅或者其它替代物。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (6)

1.一种三端式磁性随机存储器，包括沉积在衬底上的底电极、辅助层、自由层、势垒层、钉扎层和顶电极，所述顶电极连接第一端，所述底电极连接第二端，其特征在于，所述自由层上，在与辅助层接触的一面引出有第三端。
2.根据权利要求1所述的三端式磁性随机存储器，其特征在于，所述底电极上依次为辅助层、自由层、势垒层、钉扎层和顶电极，所述钉扎层与顶电极之间还依次设置有反铁磁耦合层和固定层。
3.根据权利要求1所述的三端式磁性随机存储器，其特征在于，所述底电极上依次为钉扎层、势垒层、自由层、辅助层和顶电极，所述钉扎层与底电极之间还依次设置有反铁磁耦合层和固定层。
4.一种三端式磁性随机存储器的读写方法，所述磁性随机存储器包括沉积在衬底上的底电极、辅助层、自由层、势垒层、钉扎层和顶电极，所述顶电极连接第一端，所述底电极连接第二端，其特征在于，所述磁性随机存储器自由层上，在与辅助层接触的一面引出有第三端，在写的阶段采用第一端和第二端，在读的阶段采用第三端和未直接连接辅助层一端。
5.根据权利要求4所述的三端式磁性随机存储器的读写方法，其特征在于，所述底电极连接辅助层，所述在读的阶段采用第三端和未直接连接辅助层一端，是指第三端与第一端。
6.根据权利要求4所述的三端式磁性随机存储器的读写方法，其特征在于，所述顶电极连接辅助层，所述在读的阶段采用第三端和未直接连接辅助层一端，是指第三端与第二端。
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